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PROXはPReferential OXidationの頭字語で、触媒によるガス混合物中の一酸化炭素の優先酸化を指します。これは、水蒸気改質と水性ガスシフトによって生成されたH 2 /CO/CO 2混合物から微量のCOを除去することを目的としています。理想的なPROX触媒は、セラミック担体上に置かれた不均一触媒を使用して一酸化炭素（CO）を優先的に酸化します。触媒には、白金、白金/鉄、白金/ルテニウム、金ナノ粒子などの金属や、新しい酸化銅/セラミック複合体触媒が含まれます。[1]
モチベーション
この反応は、燃料電池の設計に影響を及ぼす重要な研究対象領域です。その主な用途は、燃料電池の供給ガスから一酸化炭素(CO)を除去することです。CO は、ほとんどの低温燃料電池の 触媒を汚染します。
一酸化炭素は、炭化水素の水蒸気改質によって水素と CO が生成される副産物として生成されることが多いです。CO の大部分は、水性ガスシフト反応で水蒸気と反応させることで消費できます。
- CO + H 2 O ⇌ H 2 + CO 2
水性ガスシフト反応により、CO を原料の 1% まで削減でき、より多くの水素を生成できるという利点もありますが、完全に除去することはできません。燃料電池で使用するには、原料ガスの CO が 10 ppm未満である必要があります。
説明
PROX プロセスでは、CO と酸素の反応が可能になり、供給ガス中の CO 濃度が約 0.5～1.5% から 10 ppm 未満に低減されます。
- 2CO + O2 → 2CO2
供給ガス中に水素が広く存在するため、競合する望ましくない水素の燃焼もある程度発生します。
- 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
プロセスの選択性は、反応器の品質の尺度であり、消費された一酸化炭素と消費された水素と一酸化炭素の合計の比率として定義されます。
この技術の欠点は、発熱性が非常に強いことと、最適動作温度範囲が非常に狭いことです。最適な動作温度は 353 ～ 450 K で、水素損失は約 1 パーセントになります[要出典]。そのため、効果的な冷却が必要です。蒸気発生を最小限に抑えるために、窒素による過剰な希釈が行われます。さらに、第 2 段階に進む前に、中間冷却器で反応を中断します。
最初の反応では、約 2 倍の過剰酸素が供給され、CO の約 90% が変換されます。2 番目のステップでは、約 4 倍の大幅に高い過剰酸素が使用され、残りの CO とともに処理されて、CO 濃度が 10 ppm 未満に低減されます。過剰な CO 画分の負荷を回避するためにも、CO吸着器の過渡的操作が重要になる場合があります。
計装とプロセス制御の複雑さの要件は比較的高いです。選択的メタン化に対するこの技術の利点は、空間速度が高いため、必要なリアクターのサイズが小さくなることです。温度が急上昇する場合は、空気の供給を単純に遮断できます。
CO-PROX の技術的な起源は、アンモニアの合成 (ハーバー法) にあります。アンモニア合成では、CO がこのプロセスで使用される通常の触媒にとって強力な触媒毒となるため、CO を含まない水素が厳密に要求されます。
参照
参考文献
- ^ Liu, Y.; Q. Fu; MF Stephanopoulos (2004 年 9 月 1 日). 「CuO-CeO2 触媒による H2 中の CO の優先酸化」. Catalysis Today . 93–95: 241–246. doi :10.1016/j.cattod.2004.06.049.
文献
- Peters et al.: Gasaufbereitung für Brennstoffzellen Chemie Ingenieur Technik 76/10 (2004) 1555-1558